CN110572337A - 一种Chirp调制信号的信道估计和均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Chirp调制信号的信道估计和均衡方法，属于物联网技术领域。在Chirp信号收发过程中，由于Chirp信号的调制特点，接收机接收到的信号幅度是固定的，使用自动增益(AGC)控制即可完成时域均衡处理，但这样不方便对接收到的时域Chirp信号直接进行信道估计和均衡。因此在本发明中，将首先对收到的时域Chirp信号进行快速傅里叶变换，将时域Chirp信号变换到频域进行信道估计和均衡，这有利于解决无线信道中的频率选择性衰落问题。

Description

一种Chirp调制信号的信道估计和均衡方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，涉及一种Chirp调制信号的信道估计和均衡方法。

背景技术

调频扩展频谱(Chirp Spread Spectrum，CSS)是扩频通信中一种重要的扩频方式。Chirp信号在一个符号周期内瞬时频率随时间线性变化，具有良好的自相关特性，是一种典型的扩频信号。由于Chirp信号脉冲压缩对频偏、多普勒频移具有很强的免疫性，多径分辨力高，发射信号的峰均功率比较小，并且CSS通信系统具有抗干扰能力强，对频偏、多普勒频移不敏感，系统复杂度和功耗都很低等优势，因此被广泛应用到各种物联网系统中。

在以往的CCS通信系统中，由于Chirp信号占据的无线带宽较窄，一般只有几百赫兹，影响Chirp信号接收性能的因素主要有信号功率及多径，因此可以认为Chirp信号的传输过程中不存在频率选择性衰落问题。在CCS通信系统中，一般只存在用于帧同步的前导Chirp(亦称：Preamble Chirp)符号和直接调制数据的Chirp符号，其中的前导Chirp主要用于数据传输过程中的帧同步，便于接收端搜索数据帧的起始位置，不考虑用于信道估计。由于在以往的窄带CCS通信系统中，Chirp符号工作带宽小，不需要进行频率选择性衰落处理，因此在传输数据符号时无需插入导频符号。

由于近几年物联网通信的发展，人们对物联网通信也提出了更高要求。得益于硬件技术发展，Chirp信号处理能力也得到加强。Chirp符号带宽由原来几十到几百千赫兹发展到目前的几兆赫兹，并且由于物联网系统中CCS通信环境比较复杂，传输距离远，信号衰落比较大且干扰严重，如果不考虑传输过程中的频率选择性衰落问题，将很难体现宽带Chirp传输的优势。

硬件技术的发展提高了Chirp接收机的性能，Chirp信号的接收处理可分成射频接收和基带信号处理两部分，为Chirp信号进行信道均衡提供了有利的条件。本发明就是针对目前物联网应用中宽带Chirp信号存在的频率选择性衰落问题提出的一种解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Chirp调制信号的信道估计和均衡方法。该接收机由射频接收模块和基带信号处理模块组成。射频模块接收到无线Chirp信号后下变频到Chirp模拟基带信号，然后进行模数转换(简称：ADC)，将模拟信号变换成数字信号形成相位正交的基带数据(简称：IQ数据)，再发送到基带信号处理模块。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种Chirp调制信号的信道估计和均衡方法，该方法包括以下步骤：

第一：Chirp信号的频域信道估计过程

如果接收机接收到的Chirp信号是承载同步的前导Chirp符号，则在本地生成相同的Chirp频域数据，使用本地生成的Chirp频域数据和接收到的前导Chirp频域数据进行信道估计，估计出Chirp信号的每个频点信道特征，记为H[i]；其中i表示每个频点的编号；

如果存在多个前导Chirp符号，频域信道特征采用每个前导Chirp信道估算所得H的平均值；记为其中表示每个频点的信道特征，H[i][j]表示第j个前导Chirp符号上第i个频点的信道特征；

第二：Chirp信号的频域信道均衡过程

如果接收机接收到的Chirp信号是用于承载业务的Chirp数据符号，频域数据记为data_Chirp_F[i],其中i的取值范围0,1,2,...,N-1，则将该Chirp符号的频域均衡结果记为data_Chirp_Eq_F[i]，计算公式如下：

其中()^*表示共轭操作，然后对data_Chirp_Eq_F进行Chirp符号判决处理。

可选的，所述Chirp信号的频域信道估计过程包括以下步骤：

步骤11：射频模块接收到的前导数据后，经过数模转换(简称：ADC)将模拟Chirp信号变为数字Chirp信号；每个Chirp符号的调制时间长度是固定的，假设为T秒，ADC的抽样速率为R点/秒,则每个数字Chirp符号的长度为N＝TxR点；

基带信号处理模块将接收到的完整Chirp前导进行N点的FFT变换，得到N点Chirp频域数据，记为pilot_Chirp_F[i],i的取值范围0,1,2,...,N-1；

步骤12：在本地生成上Chirp和下Chirp的频域数据，频域离散点数为N；用Chirp符号公式生成一个离散的N点Chirp符号数据，然后对这N个数据进行N点FFT变换，生成本地Chirp符号的频域数据，记为local_Chirp_F[i],i的取值范围0,1,2,...,N-1；

步骤13：使用接收到的前导Chirp符号数据进行频域信道估计，记为H[i],其中i的取值范围0,1,2,...,N-1；则在每个频域点得出的信道特征为H[i]＝pilot_Chirp_F[i]/local_Chirp_F[i]；

步骤14：在多个前导Chirp符号的场景中，根据步骤1到步骤3方法，分别计算出每个前导对应的频域信道特征，记为H[i][j]，表示第j个Chirp符号在频点i的信道特征，其中i的取值范围0,1,2,...,N-1，j的取值范围0,1,2,...,L-1,L为前导Chirp符号的个数；

最终估算得到Chirp信号在频域的信道特征为

可选的，所述Chirp信号的频域信道均衡过程包括以下步骤：

步骤21：射频模块接收到的Chirp信号是数据符号，Chirp信号在射频模块首先进行ADC变换，将模拟信号变换成数字信号；假设每个Chirp符号的时间长度为T秒，ADC的抽样速率为R点/秒,则每个数字Chirp符号的长度为N＝TxR点；

然后对数字Chirp符号进行N点的FFT变换，得到频域的Chirp符号数据，记为data_Chirp_F[i],其中i的取值范围0,1,2,...,N-1；

步骤22：利用前导Chirp符号估算出的频域信道特性进行信道均衡，计算公式为：

即用接收到Chirp符号的频域数据乘以信道特征的共轭；

步骤23：在基带信号处理模块中，对data_Chirp_Eq_F进行Chirp解调，得到Chirp符号承载的数据内容。

本发明的有益效果在于：

第一：在以往CCS通信系统中，由于Chirp调制带宽比较小，仅仅只有几十千赫到几百千赫，所以基本不用考虑Chirp通信系统中存在的频率选择性衰落问题。但是目前在实际应用中Chirp符号占用的带宽越来越大，已经达到了几兆赫兹，频率选择性衰落对Chirp信号的解调影响也越来越大。本发明针对这一问题提出了宽带Chirp信号进行频域信道估计和均衡的方法。

第二：在Chirp信号收发过程中，由于Chirp信号的调制特点，接收机接收到的信号幅度是固定的，使用自动增益(AGC)控制即可完成时域均衡处理，但这样不方便对接收到的时域Chirp信号直接进行信道估计和均衡。因此在本发明中，将首先对收到的时域Chirp信号进行快速傅里叶变换，将时域Chirp信号变换到频域进行信道估计和均衡，这有利于解决无线信道中的频率选择性衰落问题。

第三：在CCS通信系统中，采用帧突发格式进行传输，每个帧分成了前导部分和数据部分。通常前导部分仅用于接收端的帧头搜索，不做信道估计使用，而在本发明中，接收机不仅仅将前导部分用于帧同步搜索，还用于频域信道估计，如果存在多个前导序列情况，则使用所有前导进行信道估计，提高了频域信道估计的准确度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明中CCS通信系统中的Chirp信号接收机框图；

图2为前导符号的频域信道特征估算过程；

图3为数据符号的频域信道均衡过程；

图4为上Chirp和下Chirp的瞬时频率及实部的时域波形；

图5为一种物联网系统中Chirp调制方式的帧格式；

图6为Chirp信号接收机的原理图；

图7为帧同步和信道估计过程；

图8为业务数据接收过程。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在CCS通信系统尤其是物联网应用中，对于Chirp调制和解调基本采用了模拟的方式进行处理，方法简单并且成本也较低。近年来由于集成电路发展，采用数字方式进行Chirp信号处理成为主流，接收机和发射机部分都可以采用射频模块和基带信号处理模块组合方式来实现，有利于将Chirp符号进行FFT变换到频域进行处理。

在介绍本发明具体实施例之前，首先介绍Chirp信号的特点，一个符号周期内的Chirp信号可表示如下：

其中A表示信号幅度；f₀是信号中心频点；μ是调频斜率；θ₀是初始相位；T表示符号的周期，信号的带宽表示为B＝μT，根据上面的公式可以得到Chirp信号的瞬时表达式

其中当μ＞0时，Chirp信号的瞬时频率不断增大，称s(t)为上扫频信号。当μ＜0时，Chirp信号的瞬时频率不断减小，称s(t)为下扫频信号。如图4所示。

在本发明中，一个Chirp信号在时域的长度为T，带宽为B。利用s(t)计算公式可以得到T时间长度的连续模拟Chirp信号。为了方便处理，也可以对s(t)进行抽样得到数字Chirp符号数据。假设在一个符号周期T内对Chirp时域信号进行N点抽样，那么对时域数据进行N点FFT变换可以得到N点的频域数据。因此时域Chirp信号处理问题都可以转换到频域来处理。

Chirp信号频域具体处理，基带信号处理模块对接收到的Chirp数字信号进行快速傅里叶变换处理(简称：FFT)，将收到的Chirp数字信号从时域变换成频域，然后对其进行频域处理。

Chirp接收机的原理图如图1所示。

在本实施例中，基带信号处理重点分成两个过程。即Chirp信号的频域信道估计和均衡。

第一：Chirp信号的频域信道估计过程

如果接收机接收到的Chirp信号是承载同步的前导Chirp符号，则在本地生成相同的Chirp频域数据，使用本地生成的Chirp频域数据和接收到的前导Chirp频域数据进行信道估计，估计出Chirp信号的每个频点信道特征，记为H[i]。其中i表示每个频点的编号。

如果存在多个前导Chirp符号，频域信道特征采用每个前导Chirp信道估算所得H的平均值。记为其中表示每个频点的信道特征，H[i][j]表示第j个前导Chirp符号上第i个频点的信道特征。具体步骤如图2所示。

步骤1：射频模块接收到的前导数据后，经过数模转换(简称：ADC)将模拟Chirp信号变为数字Chirp信号。每个Chirp符号的调制时间长度是固定的，假设为T秒，ADC的抽样速率为R点/秒,则每个数字Chirp符号的长度为N＝TxR点。

基带信号处理模块将接收到的完整Chirp前导进行N点的FFT变换，得到N点Chirp频域数据，记为pilot_Chirp_F[i],i的取值范围0,1,2,...,N-1。如图2中第1步。

步骤2：在本地生成上Chirp和下Chirp的频域数据，频域离散点数为N。用Chirp符号公式生成一个离散的N点Chirp符号数据，然后对这N个数据进行N点FFT变换，生成本地Chirp符号的频域数据，记为local_Chirp_F[i],i的取值范围0,1,2,...,N-1。如图2中第2步。

步骤3：使用接收到的前导Chirp符号数据进行频域信道估计，记为H[i],其中i的取值范围0,1,2,...,N-1。则在每个频域点得出的信道特征为H[i]＝pilot_Chirp_F[i]/local_Chirp_F[i]。如图2中第3步。

步骤4：在多个前导Chirp符号的场景中，根据步骤1到步骤3方法，分别计算出每个前导对应的频域信道特征，记为H[i][j]，表示第j个Chirp符号在频点i的信道特征，其中i的取值范围0,1,2,...,N-1，j的取值范围0,1,2,...,L-1,L为前导Chirp符号的个数。

最终估算得到Chirp信号在频域的信道特征为如图2中第4，5步。

第二：Chirp信号的频域信道均衡过程

如果接收机接收到的Chirp信号是用于承载业务的Chirp数据符号，记为data_Chirp_F[i],其中i的取值范围0,1,2,...,N-1，则将该Chirp符号的频域均衡结果记为data_Chirp_Eq_F[i]，计算公式如下：

其中()^*表示共轭操作，然后对data_Chirp_Eq_F进行Chirp符号判决处理。具体步骤如图3所示。

步骤1：射频模块接收到的Chirp信号是数据符号，Chirp信号在射频模块首先进行ADC变换，将模拟信号变换成数字信号。假设每个Chirp符号的时间长度为T秒，ADC的抽样速率为R点/秒,则每个数字Chirp符号的长度为N＝TxR点。

然后对数字Chirp符号进行N点的FFT变换，得到频域的Chirp符号数据，记为data_Chirp_F[i],其中i的取值范围0,1,2,...,N-1。如图3中第1步。

步骤2：利用前导Chirp符号估算出的频域信道特性进行信道均衡，计算公式为：

即用接收到Chirp符号的频域数据乘以信道特征的共轭。如图3中第2步。

步骤3：在基带信号处理模块中，对data_Chirp_Eq_F进行Chirp解调，得到Chirp符号承载的数据内容。

本实施例在实际的物联网场景中，一般采用发送一个突发的方式进行数据传输，一个发送突发也称为一个发送数据包，每个数据包有固定的帧格式，如图5所示。一个帧格式由两部分组成，一部分用于数据包接收的同步指示，称为前导符号，另外一部分用于承载业务数据，称为数据符号。

在本实施例中，假设Chirp符号的时间长度为T秒，信号带宽为B，前导符号数目为K。Chirp信号接收机的原理图如图6所示，主要由两个部分组成，前端是射频部分，后端是Chirp基带信号处理部分。

在本实施例中，Chirp接收机的信号处理流程分成帧同步和信道估计以及业务数据接收过程。

Chirp接收机信号处理过程1：帧同步和信道估计过程

步骤1：Chirp信号接收机开始上电，首先完成接收机的初始化任务，初始化过程包括生成本地前导符号的频域数据，上Chirp符号记为local_upChirp_F[i]，下Chirp符号记为local_dwChirp_F[i],其中i取值为0,1,2,...,N-1。在后续描述中，如果是上Chirp符号，则local_Chirp_F＝local_upChirp_F,否则local_Chirp_F＝local_dwChirp_F。

接下来进入同步搜索状态。在CCS通信系统中，一般采用突发帧结构方式发送数据，接收机无法得知突发数据帧具体何时到来，因此必须实时监视和搜索帧的前导符号。

由于接收机开始接收帧数据时并不知道前导符号的开始时间，因此未同步的FFT数据不一定是完整的Chirp符号数据。如图7中1，2步。

步骤2：对FFT之后的Chirp频域数据进行Chirp前导符号搜索，首先确定接收数据是否为前导Chirp符号的频域数据，如果是前导Chirp信号的频域数据，则找到Chirp符号的频域起始位置，最后转换到对应的时域起始位置，并调整FFT计算的起始位置，从而确保以后每次FFT的输出都是一个完整的Chirp符号数据。如图7中3步。

步骤3：接收到完整的前导Chirp信号的频域数据，记为pilot_Chirp_F[i],其中i取值为0,1,2,...,N-1。则该Chirp符号的频域信道特征H[i]＝pilot_Chirp_F[i]/local_Chirp_F[i]，其中i取值为0,1,2,...,N-1。如图7中4步。

步骤4：在本实施例中，假设数据帧中的前导总计有K个Chirp符号，但是接收机仅能够正确检测到L个前导符号，并且已经搜索到了前导符号的结束符。

采用步骤3的方法，估算每个前导符号的信道特征，记录为H[i][j]，表示第j个Chirp符号在频点i的信道特征，其中i的取值范围0,1,2,...,N-1，j的取值范围0,1,2,...,L-1,L为接收到前导Chirp符号的个数。那么最终得到Chirp符号在频域的信道特征为

在该步骤中，如果搜索到前导符号的结束符，则Chirp前导符号序列搜索子模块立即通知Chirp数据接收和均衡处理子模块帧的数据符号处理已经开始。

如图7中第5，6步

Chirp接收机信号处理过程2：业务数据接收过程

步骤1：根据帧结构特点，一个突发帧结构包括了前导符号和数据符号，Chirp前导符号序列搜索子模块发送数据起始位置指示和频域信道估计接收到数据起始位置指示后，Chirp数据接收和均衡处理子模块开始接收帧中的符号数据，即FFT之后的Chirp频域数据。如图8中1步。

步骤2：当接收到一个完整的Chirp符号的频域数据后，记为data_Chirp_F[i],其中i的取值范围0,1,2,...,N-1。使用来自Chirp前导符号搜索子模块中的频域信道特征进行频域均衡则Chirp符号进行频域均衡结果为

其中i的取值范围0,1,2,...,N-1。如图8中2步。

步骤3：对频域Chirp符号data_Chirp_Eq_F进行数据判决，根据Chirp信号解调原理，在时域中对接收到的Chirp符号数据和本地的上Chirp符号和下Chirp符号分别进行卷积计算，如果本地上Chirp卷积结果大于下Chirp的卷积结果，则判定接收到的是下Chirp符号，反之则是上Chirp符号。

根据信号处理的原理，在时域进行卷积计算等同于在频域进行点积计算。在本发明实施例中，由于采用FFT硬件加速器，因此在Chirp基带信号处理中仅考虑Chirp符号的频域计算方法。

频域Chirp信号解调子模块使用来自Chirp数据接收和均衡处理子模块的频域数据和本地的local_Chirp_F进行点积。如果和本地上Chirp符号频域数据点积所得的结果大于下Chirp符号频域数据的点积结果，则判定收到的Chirp符号为下Chirp符号，反之为上Chirp符号。

在CCS通信系统中，一个数据帧中包括的多个数据符号，重复上述步骤1，2，3，直到接收到该帧中所有的数据符号。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种Chirp调制信号的信道估计和均衡方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

第一：Chirp信号的频域信道估计过程

如果接收机接收到的Chirp信号是承载同步的前导Chirp符号，则在本地生成相同的Chirp频域数据，使用本地生成的Chirp频域数据和接收到的前导Chirp频域数据进行信道估计，估计出Chirp信号的每个频点信道特征，记为H[i]；其中i表示每个频点的编号；

如果存在多个前导Chirp符号，频域信道特征采用每个前导Chirp信道估算所得H的平均值；记为其中表示每个频点的信道特征，H[i][j]表示第j个前导Chirp符号上第i个频点的信道特征；

第二：Chirp信号的频域信道均衡过程

如果接收机接收到的Chirp信号是用于承载业务的Chirp数据符号，频域数据记为data_Chirp_F[i],其中i的取值范围0,1,2,...,N-1，则将该Chirp符号的频域均衡结果记为data_Chirp_Eq_F[i]，计算公式如下：

其中()^*表示共轭操作，然后对data_Chirp_Eq_F进行Chirp符号判决处理。

2.根据权利要求1所述的一种Chirp调制信号的信道估计和均衡方法，其特征在于：所述Chirp信号的频域信道估计过程包括以下步骤：

步骤11：射频模块接收到的前导数据后，经过数模转换(简称：ADC)将模拟Chirp信号变为数字Chirp信号；每个Chirp符号的调制时间长度是固定的，假设为T秒，ADC的抽样速率为R点/秒,则每个数字Chirp符号的长度为N＝TxR点；

基带信号处理模块将接收到的完整Chirp前导进行N点的FFT变换，得到N点Chirp频域数据，记为pilot_Chirp_F[i],i的取值范围0,1,2,...,N-1；

步骤12：在本地生成上Chirp和下Chirp的频域数据，频域离散点数为N；用Chirp符号公式生成一个离散的N点Chirp符号数据，然后对这N个数据进行N点FFT变换，生成本地Chirp符号的频域数据，记为local_Chirp_F[i],i的取值范围0,1,2,...,N-1；

步骤13：使用接收到的前导Chirp符号数据进行频域信道估计，记为H[i],其中i的取值范围0,1,2,...,N-1；则在每个频域点得出的信道特征为H[i]＝pilot_Chirp_F[i]/local_Chirp_F[i]；

步骤14：在多个前导Chirp符号的场景中，根据步骤1到步骤3方法，分别计算出每个前导对应的频域信道特征，记为H[i][j]，表示第j个Chirp符号在频点i的信道特征，其中i的取值范围0,1,2,...,N-1，j的取值范围0,1,2,...,L-1,L为前导Chirp符号的个数；

最终估算得到Chirp信号在频域的信道特征为

3.根据权利要求1所述的一种Chirp调制信号的信道估计和均衡方法，其特征在于：所述Chirp信号的频域信道均衡过程包括以下步骤：

步骤21：射频模块接收到的Chirp信号是数据符号，Chirp信号在射频模块首先进行ADC变换，将模拟信号变换成数字信号；假设每个Chirp符号的时间长度为T秒，ADC的抽样速率为R点/秒,则每个数字Chirp符号的长度为N＝TxR点；

然后对数字Chirp符号进行N点的FFT变换，得到频域的Chirp符号数据，记为data_Chirp_F[i],其中i的取值范围0,1,2,...,N-1；

步骤22：利用前导Chirp符号估算出的频域信道特性进行信道均衡，计算公式为：

即用接收到Chirp符号的频域数据乘以信道特征的共轭；

步骤23：在基带信号处理模块中，对data_Chirp_Eq_F进行Chirp解调，得到Chirp符号承载的数据内容。